专利名称：永磁直接驱动泥浆泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田设备。尤其是，本发明涉及用在油气钻采和生产中的泥浆泵。尤 其是，本发明涉及具有永磁电动机的泥浆泵。
背景技术：
泥浆泵一般用在对油气井的井筒钻采中以便润滑钻井设备(例如，钻柱和钻头)。 泥浆泵一般位于井的表面靠近油气井架处。典型泥浆泵具有与泥浆池协作的入口。泥浆泵 的出口与钻柱连接，从而供应泥流(或者其它润滑流体)到位于井筒底部的钻头。泥浆在钻 柱内行进到钻头，在那里泥浆离开钻柱并被向上再循环至井的表面而进入泥浆池中。在循 环期间，泥浆在钻柱和井筒的壁之间的环形空间中行进。钻井流体，例如泥浆，可适于许多用途，诸如在井筒内深处提供流体静压从而在钻 出井筒过程中产液(即油和气)保持在岩层内。除了在钻井时润滑钻柱和钻头以外，被泥浆 泵送入钻柱的加压泥浆可用来给钻头提供动力。现有技术的泥浆泵较为复杂、沉重并且占位面积大。典型的泵具有泵压头、动力源 以及连接所述泵压头和动力源的联接机构。该联接机构可以是轴和传动装置或者任何其它 机械上合适的装置以将动力从动力源传递到泵压头。泵压头、动力源和联接机构在复杂性上不同。对于泥浆泵，往复泵压头可用来泵送 用于油气钻采的泥浆。往复泵压头具有在缸中往复运动的活塞。往复泵压头可具有任意数 目的活塞及缸布置。动力源可以是变速AC电动机、DC电动机、柴油/汽油发动机或者液压 电动机。一般具有额定功率大于750hp的两个或更多泥浆泵用来在钻井时泵送泥浆。被泵 送的泥浆可以是泥、水、油和其它物质的混合物。用于钻井的润滑流体被统称为“泥浆”。图1示出常规钻机10，其利用现有技术的泥浆泵55。泥浆泵55安装至钻台12靠 近油井架11处。泥浆泵55具有进入管线57和引出管线53。进入管线57将泥浆泵55和 泥浆池59连接，泥浆被存在泥浆池中以备使用。引出管线53被适当地连接到钻井单元19 以便将加压的泥浆泵入到钻柱14中。泥浆在钻柱14中向下行进到钻头51，所述钻头51在 井筒16内转动。泥浆在钻头51附近离开钻柱14并被压力向上强压到井场12。泥浆通过 管线61再循环回到泥浆池59。在钻井操作期间，以这种方式连续泵送泥浆。绞车26绕滑轮25伸出钢索24，以便从井筒16升高钻杆14和降低钻杆14至井筒 16。滑轮25也被称为定滑轮。井筒16形成在地层50中。钻杆14可以是为在地层15中 的井筒16内延伸的一系列钻杆的钻柱。单独的钻杆14在螺纹接头17处连接到钻柱。钻 柱的一些部分可以具有包括稳定器元件18的稳定器部分，所述稳定器元件沿钻杆14的外 表面螺旋延伸以便以使钻杆14中心地置于其中的方式接合井筒16的壁。绞车26在安装在油井架11上的滑轮25上伸出和收回钢索24以便升高和降低保 持钻杆14的钻井单元19。钢索24连接到动滑轮23。动滑轮23被由绞车26伸出和收回 的钢索24悬起和上下移动。动滑轮23连接到钻井单元19。钻井单元19在其上端具有转 座22，到达该转座22的钻井流体被引入到钻杆14中，并且通过该转座钻井单元19被从动滑轮23悬起。钻井单元19、钻杆处理机21和相关连接部件沿着轴线20竖直移动。所述竖 直移动由两个竖直导轨或轨道27引导，所述导轨或轨道被刚性连接到井架11。钻井单元 19连接到托架观。托架观具有接合所述导轨27的滚轮。导轨27引导托架观沿着平行 于竖直轴线20的导轨27竖直地向上和向下移动。钻杆14通过井口 13插入井筒16中以 及从井筒16移出。与泥浆泵有关的问题是，在泵压头的缸中的活塞的脉动产生不利的谐波。这些负 面谐波可能影响动力源和泵压头之间的泵送效率。因而，当出现负面谐波时，泥浆泵的效率 和有效性受到影响。当泥浆泵以低于预期的效率工作时，被使用的每一单位的能量泵送的 泥浆更少，这样，负面谐波导致能耗成本的增大和对泥浆泵的动力源(例如电动机)的磨损 増大。如此，需要减轻与泥浆泵有关的负面谐波。与泥浆泵有关的另一个问题是，校正相关设备以便减轻负面谐波需要改变泥浆泵 的速度，加速所述泵或是让所述泵减速至停止以便在泥浆泵中进行各种调整。泵压头的速 度由动力源的速度控制。现有技术的动力源(电动机)具有很强的惯性力，使得难以让它们 在速度上迅速增大或减小。此外，在现有技术电动机中为了尽可能快地改变速度，需要许多 能量。而且，泥浆泵通常具有复杂的传动装置，将泵压头和电动机连接起来，且产生对速度 的快速改变而言的另外的阻力。因而，需要一种动力源，其允许动力源在速度上能进行快速 的实时改变，以便从泥浆泵上迅速除去负面谐波。过去，已经公告了涉及泥浆泵的各种专利。例如，在2007年11月15日公开的 Urquhart的美国专利公开No. 2007/0261888,公开一种用于泵送流体(例如，但不限于钻井 流体)的系统，该系统具有带泵送部分和电动机部分的泵装置。泵送部分具有入口和出口。 电动机部分具有轴，所述轴将泵送部分往复移入和移出以交替地将流体吸入到入ロ中和将 流体从出口泵送出去。该电动机为永磁直线电动机，用来在往复运动中移动所述轴。1994年12月20日公告的1&101^等人的美国专利似.5，375，098，公开了ー种し^) 工具，其具有定子、转子(所述转子相对于定子转动由此在流经其中的钻孔流体中生成信 号)、连接到转子上用于驱动所述转子的无刷0〔电动机、连接到电动机上用于感测电动机的 旋转位置的位置传感器、连接到电动机上用于驱动所述电动机的电动机驱动电子装置，以 及微处理器(所述微处理器连接到位置传感器和驱动电子装置以基于电动机的实际的和期 望位置来控制到电动机的驱动信号。通过控制到电动机的驱动信号，控制了电动机的速度， 因而在钻孔流体或泥浆中的信号的频率及/或相位上造成改变。有了改变频率及/或相位 的能力，可以使用不同编码技术，例如PSK型和FSK型编码技术。1994年4月沈日公告的彻吐的美国专利似.5，306，124，公开一种泥浆泵组件，其 具有壳体，该壳体带有直接连接到标准液压驱动电动机的电动机安装面。所述泵壳体支撑 并且部分地围住支撑泵叶轮轴的轴承组件。面型叶轮轴密封件位于轴承组件和叶轮之间。 电动机罩完成对叶轮轴轴承组件的包围。电动机罩排水管线连接到泥浆泵壳体用于连续压 力润滑所述轴承组件。在一个实施例中，罩排出流体从泥浆泵壳体返回到用于液压电动机 的液压流体储池。1993年11月9日公告的Dhindsa等人的美国专利No. 5，259，731，公开一种将流 体泵送到公共压力出口的系统。该系统具有往复运动的泵。连接到每个泵的一个缸上的单 独的传感器在所述缸中的活塞每一次处于预定位置时提供电信号。提供了速度控制电路以fê$ij0 mmm^mm^mmm&mmmMmmmmpmMmmmfa.1980 ^ 12 % 30BenderNo. 4, 242, 057, ￡JF7 f￡l/l± ￡ffl tJfflTié# WU%M, &fê—XiTO - ftl> %3íJ#l -
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本发明的另一目的是提供一种泥浆泵，其降低了操作和修理的费用。通过阅读所附说明书和所附权利要求书，本发明的这些及其它目的和优点将变得 显而易见。
发明内容
本发明为永磁体直接驱动泥浆泵，包括永磁电动机、连接到永磁电动机的轴、连接 到所述轴的与永磁电动机相对的一端的泵压头。永磁电动机包括壳体、位于壳体内的定子， 以及与定子协作并位于壳体内的定子内部的转子。转子与轴互连从而永磁电动机所赋予的 转动运动可以直接赋予所述轴，并因此赋予泵压头。壳体包括被壁围绕的内腔室。定子定位成邻近所述壳体的所述壁。定子具有绕其 延伸的多个绕组。绕组被以围绕定子的内表面成隔开的关系保持。绕组从壳体的所述壁径 向向内延伸。合适的气流通路设置成贯穿壳体以便提高与定子的空气交换的冷却效果。转子位于定子的内部。转子为环形部件。永磁体被以围绕转子的周界彼此隔开的 关系定位。永磁体与绕组协作以便提供永磁电动机的电动机作用。驱动盘固定到转子。驱 动盘具有内开孔，所述内开孔被适当形成以接合相关轴的花键。转子的驱动盘容纳所述轴。 因此，当转动力被赋予转子时，转动力被直接赋予所述轴并赋予相关泵压头。因此，本发明 能够直接转动所述轴，而不需要齿轮机构或者传动系统。
图1示出利用现有技术泥浆泵的石油钻机的侧视图。图2示出本发明的永磁直接驱动泥浆泵的优选实施例的侧视图。图3示出与本发明的泥浆泵一起使用的泵压头的侧视图。图4示出本发明的永磁电动机的横截面图。图5示出与本发明的永磁电动机相关的驱动盘的俯视图。图6示出本发明的永磁电动机的转子的透视图。图7示出本发明的永磁电动机的定子的透视图。
具体实施例方式参考图2，示出本发明永磁直接驱动泥浆泵100的优选实施例的侧视图。泥浆泵 100具有永磁电动机40。轴41连接到永磁电动机40。泵压头49连接到轴41的与永磁电 动机40相对的一端47。永磁电动机40转动所述轴41,所述轴41转动泵压头49中的适当 部分。轴41延伸到电动机40的内部中。泵压头49的转动导致泥浆通过进入管线63被吸 入到泵压头49中，在泵压头49中被加压，并在压力下通过排放管线65从泵压头49排放出 去。泵压头49中的曲轴的纵轴与轴41的纵轴对准。这些纵轴大体平行于钻台12。永磁电 动机40驻留在钻台12上。永磁电动机40具有壳体42。转子和定子位于壳体42内。壳 体42具有大致圆筒形形状。轴41从永磁电动机40的内部向外延伸。输送冷却空气到转 子和定子的冷却空气入口 52位于壳体42的内部中。空气在壳体42的内部在转子和定子 周围循环以便冷却转子和定子。被加热的空气通过排放端口 56离开壳体42。排放端口 56 允许被加热的空气从壳体42的内部排放出去。
参考图3,示出本发明的优选泵压头49的侧视图。泵压头49具有动力端和流体 端。动力端具有曲轴。曲轴连接到所述轴41,所述轴连接到永磁电动机40。电动机40转 动所述轴41，所述轴41转动曲轴。曲轴通过几个齿轮，即主齿轮和润滑泵齿轮，赋予动力到 活塞杆。活塞杆振荡通过腔室以便吸入泥浆到吸入歧管。活塞在歧管中产生压力从而泥浆 在压力下通过排放歧管排放出去。所述轴41直接驱动曲轴。曲轴通过泵压头49的框架的 顶部装配。以这种方式，可以非常快并且不那么复杂地完成组装。参考图4，示出永磁电动机40的壳体42的横截面图。如看到的那样，壳体42限定 内腔室60。定子62固定到壳体42的壁。定子62围绕壳体42的圆形内部延伸。转子64 定位成非常接近定子62。转子64具有绕其周界形成的多个永磁体(下面将更详细地描述)。 定子62具有绕定子62的内表面放置的线匝。定子62的线匝和转子64的永磁体的相互作 用提供永磁电动机40的转动动力。驱动盘66固定到转子64的顶部。所述轴41与驱动盘 66接合从而转子64赋予驱动盘66的转动能量将被赋予所述轴41。所述轴41从壳体42 的内腔室60向外延伸。永磁体电动机因为两个磁场的相互作用导致的扭距而旋转。这些磁场由安装在转 动的转子上的永磁体以及定子的静止的绕组感应出的磁场产生。当转子的磁矢量在相对于 定子的磁矢量成90度时，扭距最大。在该位置，所述扭距促使转子的极沿定子磁场的方向 旋转。在梯形驱动的无刷DC电动机中，通过三个线圈中的两个线圈依次交变的电流产生定 子磁场。剩下的第三个线圈监控两个有效线圈的反EMF (电动力)。当永磁体电动机转动时 反EMF发生。每个绕组产生与绕组的主电压相反的电压。反EMF取决于转子的角速度、转 子磁体产生的磁场，以及定子绕组中的圈数。电动机的反EMF提供转子位置相对于定子绕 组的反馈。具有传感器的永磁电动机提供类似的位置反馈。利用永磁同步电动机使用的正 弦整流或换相(communication),驱动控制电路同时给三个线圈供电。自从1990年永磁电动机已经可从市场上获得。然而，因为与转子上的昂贵的永磁 体相关联的高昂费用，并没有看到永磁电动机被广泛应用。另外，它们的复杂控制算法需要 专业的工程专门技术以及用于嵌入式处理器的额外花费。永磁电动机比AC感应电动机更 有效率。然而，因为近来铜价的上涨，目前基于绕组的感应电动机已经变得更加昂贵，使得 永磁电动机相比而言变得不那么昂贵。另外，最近在技术上的进步已经提高了永磁电动机 的功率输出到使这些电动机与现有的感应电动机相比具有优越的功率密度。因而，永磁电 动机40，如图4中所示，提供优越的功率输出用来直接驱动泥浆泵100的轴41和鼓桶43。参考图5，示出本发明的泥浆泵100的永磁电动机40的驱动盘66的俯视图。驱 动盘66具有带外周90的圆形形状。螺栓孔92形成为邻近外周90。螺栓孔92允许驱动 盘66螺栓连接到转子的顶部。花键状或带花键的开孔94形成在驱动盘66的中心以便容 纳轴41的花键。空气流通孔96形成在驱动盘66的内部四周。所述孔96便于空气在永磁 电动机40内流通。参考图6，示出本发明的泥浆泵100的永磁电动机40的转子64的单独的透视图。 驱动盘66可以直接安装在转子64的顶部上。永磁体堆叠104以彼此隔开的关系固定到转 子64的外表面102。间隔部106用来将永磁体堆叠中的一个与相邻的堆叠隔离。间隔部 106可以是单独的物件或者它们可以就是在转子64的外周上的被形成的表面。转子64具 有形成在其中心处的转子支承孔110。
参考图7，示出本发明的泥浆泵100的永磁电动机40的定子62的单独的透视图。 定子62具有外罩120，其用于将线圈122与壳体42的内壁隔开。线圈122从其径向向内 延伸。线圈122的内表面124限定转子64将置于其中的圆形开孔。结果，永磁体堆叠104 非常接近线圈122，从而永磁电动机40能正确地操作。适当的电子装置连接到永磁电动机 40,从而便于正确操作永磁电动机40。在本发明中，应该认识到永磁直接驱动泥浆泵100是直接连接到轴41。因此，没有 齿轮或其它传动机构在这些区域中互连。因而泥浆泵100提供更高的功率密度以相对轻重 量构造让钻柱正确转动。与传动系统有关的重量被本发明有效避免。此外，安装上述传动 系统(从而使感应电动机的动力能被传递到驱动系统)所面对的复杂性也在本发明中得以 避开。结果，本发明的永磁直接驱动泥浆泵可用于以最小重量转动泵压头49的目的。不像 当前的与钻井操作有关的电动机(这些电动机重量可超过100，000磅)一样，本发明的永磁 电动机40仅重约60，000磅。因此，可以在路上在常规卡车上容易地运输它。不像现有技 术，电动机40不必进行自身的组装或者在现场与传动系统进行组装。因此，本发明避免了 对安装人员的专门需要，否则对于那些要求在电动机40和泵压头49之间进行传动的系统 来说安装人员是需要的。本发明的永磁电动机40的重量上的减小避免某些惯性效应，否则 所述惯性效应会不利地影响传统感应电动机的操作。本发明的电动机40可以根据期望被 互换，用来与钻机的绞车26或泥浆泵100协同使用。由于不需要传动系统，这样的永磁电 动机40的供应可以提供给钻井操作，用来与泥浆泵协同使用或者用于其它目的。如果，任 何一个电动机40出现故障，那么可以用任何其它电动机代替而不用让钻机有任何的停机。用直接联接到曲轴上的电动机40直接驱动泵压头49消除了内部和外部齿轮减 速。内部齿轮减速通常涉及小齿轮和大齿轮。主齿轮直接安装在曲轴上而小齿轮安装在泵 框架上。外部齿轮减速通常利用链与链轮驱动系统或者皮带轮与皮带系统实现。在链驱动 泵中，小链轮直接安装到电动机上而较大的从动链轮安装到小齿轮轴上。在皮带驱动泵中， 小皮带轮直接安装到电动机上而较大的从动皮带轮安装到小齿轮轴上。本发明避免使用这 些部件。通过省去这些部件，由于在动力传递中减少了移动部件超过50%，简化了驱动。这 降低了对维护的需要和整个产品寿命周期成本。本发明想到电动机40包括多个永磁电动机。本发明的前面的公开和描述是说明性和解释性的。可以在本发明的权利要求书的 范围内在不偏离本发明的真正精神的情况下对所示的结构在细节上进行各种改变。本发明 应该仅由下面的权利要求书及其法律上的等同范围限制。
权利要求
1.ー种直接驱动泥浆泵，包括 永磁电动机； 连接到所述永磁电动机的轴；和 连接到所述轴的与所述永磁电动机相対的一端的泵压头。
2.根据权利要求I所述的直接驱动泥浆泵，所述永磁电动机包括 壳体； 位于所述壳体内的定子；和 转子，其与所述定子协作并位于所述壳体内的所述定子的内部。
3.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述转子能够与所述轴互连，从而所述永磁电动机所赋予的旋转运动被直接赋予到所述轴。
4.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述壳体包括 内腔室；和 围绕所述内腔室的壁，所述定子位于所述壳体的所述壁附近。
5.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述定子具有绕其延伸的多个绕组，所述多个绕组以围绕所述定子的内表面间隔开的关系设置。
6.根据权利要求5所述的直接驱动泥浆泵，所述绕组从所述壳体的所述壁径向向内延伸。
7.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述壳体具有至少两个气流通路，所述至少两个气流通路中的一个适于允许环境温度的空气进入所述壳体内，所述至少两个气流通路中的另ー个适于允许被加热的空气离开所述壳体。
8.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述转子为环形部件。
9.根据权利要求8所述的直接驱动泥浆泵，所述转子具有以隔开关系绕所述转子的外周的多个永磁体，所述永磁体与放置在所述定子上的绕组协作。
10.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，还包括 固定到所述转子的驱动盘。
11.根据权利要求10所述的直接驱动泥浆泵，所述驱动盘具有适于接合形成在所述轴上的花键的带有花键的内开孔。
12.—种直接驱动泥浆泵，包括 永磁电动机，包括 壳体； 位于所述壳体内的定子；和 转子，其与所述定子协作并且位于所述壳体内的所述定子的内部； 连接到所述永磁电动机的轴；和 连接到所述轴的与所述永磁电动机相反的一端的泵压头。
13.根据权利要求12所述的直接驱动泥浆泵，所述转子能够与所述轴互连，从而由所述永磁电动机所赋予的旋转运动被直接赋予所述轴。
14.根据权利要求12所述的直接驱动泥浆泵，所述壳体包括 内腔室；和 围绕所述内腔室的壁，所述定子位于所述壳体的所述壁附近。
15.根据权利要求2所述的直接驱动泥浆泵，所述定子具有绕其延伸的多个绕组，所述多个绕组以围绕所述定子的内表面间隔开的关系设置，所述多个绕组从所述壳体的所述壁径向向内延伸。
16.根据权利要求12所述的直接驱动泥浆泵，所述壳体具有至少两个气流通路，所述至少两个气流通路中的一个适于允许环境温度的空气进入所述壳体内，所述至少两个气流通路中的另ー个适于允许被加热的空气离开所述壳体。
17.根据权利要求12所述的直接驱动泥浆泵，所述转子为环形部件，所述环形部件具有以围绕所述转子的外周间隔开的关系设置的多个永磁体，所述永磁体与放置在所述定子上的绕组协作。
18.根据权利要求12所述的直接驱动泥浆泵，还包括 固定到所述转子的驱动盘。
19.根据权利要求18所述的直接驱动泥浆泵，所述驱动盘具有适于接合形成在所述轴上的花键的带有花键的内开孔。
20.—种与泥衆泵一起使用的永磁电动机,包括 壳体，具有壁和内腔室； 位于所述壳体内并邻近所述壁的定子，所述定子具有绕其延伸的多个绕组； 位于所述壳体内的所述定子的内部的转子，所述转子为环形部件，所述环形部件具有以围绕所述转子的外周间隔开的关系设置的多个永磁体，所述永磁体与所述定子的所述多个绕组协作； 固定到所述转子的驱动盘；和 固定到所述驱动盘的轴，所述轴从所述壳体向外延伸。
全文摘要
一种永磁直接驱动泥浆泵(100)，具有永磁电动机(40)、连接到所述永磁电动机的轴(41)，以及连接到所述轴的与所述永磁电动机相对的一端的泵压头(49)。所述永磁电动机(40)具有壳体(42)、位于所述壳体内的定子(62)，及转子(64)，其与所述定子协作并位于所述壳体内的所述定子的内部。转子(64)能够与所述轴互连，从而在不必使用传动装置的情况下，永磁电动机(40)产生的转动运动可以被直接赋予所述轴，并因此赋予泵压头。
文档编号E21B21/01GK102667052SQ201080053956
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年12月2日
发明者凯文·R·威廉姆斯 申请人:凯文·R·威廉姆斯